一种电极传输线及包含有该电极传输线的硅基电光调制器的制作方法

1.本发明涉及硅基电光调制器技术领域，尤其涉及一种电极传输线及包含有该电极传输线的硅基电光调制器。


背景技术：

2.硅基电光调制器由于其综合性能出众，采用cmos兼容工艺制作，可单片集成多路调制器以及可以和硅光子无源器件、硅基锗探测器等形成集成度更高的硅光集成芯片，因此获得学术界和工业界的持续关注。
3.马赫-增德尔干涉仪(mzi，mach-zehnder interferometer)形式硅基电光调制器通常使用行波电极作为调制信号的电极传输线，光波和电调制信号在mzi调制器中沿同一方向传播。为了提升调制器的电光带宽特性，采取的其中一种方式是减小行波电极传输线的微波损耗，微波损耗主要来源于两个方面：一是电极传输线本身的微波损耗，主要来自趋肤效应；二是调制区中pn结带来的微波损耗，等效为电极传输线附加的rc负载所增加的电学损耗。
4.其中，趋肤效应是射频信号传输中的一种常见现象。如图1所示，导体上的直流电流几乎均匀分布在导体内部，如图2和图3所示，随着交流电频率的升高，导体中出现交变的电磁场，导体内部的电流分布发生变化，电流主要集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面则电流越大，导体内部的电流很小甚至是无电流，因此趋肤效应导致高频信号传输时导体的电阻增加，导体损耗也随之增加。
5.如图4所示，在高波特率工作场景下，驱动芯片和调制器芯片采用直接电耦合方式进行连接，驱动芯片的输出级需要从调制器芯片端有一直流电流回流至驱动芯片，一般为从调制器芯片的负载端沿着调制器电极传输线的信号线回流至驱动芯片，而此直流电流很可能较大，有些输出电压摆幅大的驱动芯片在正常工作条件下，需要调制器芯片端回流的电流可达100ma，甚至更大，因此对调制器的电极传输线的电流承受能力提出了较高的要求。然而调制器的电极传输线采用cmos兼容工艺制作，其厚度往往很有限，一般在2um以内，虽然增大信号线的电极宽度可增强其电流承受能力，但是受到调制器特征阻抗的设计要求，调制器的信号线宽度很难加宽到足够安全承载100ma以上的大电流。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供一种电极传输线及包含有该电极传输线的硅基电光调制器。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
7.本发明采用如下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种电极传输线，包括：至少两层金属层，且每层金属层由若干金属电极组成，且相邻金属层中对应位置的金属电极的两侧通过通孔进行电学接触，
形成矩形框体状的电极结构。
9.进一步的，各个金属层中金属电极的分布、形状及尺寸相一致。
10.第二方面，本发明还提供一种硅基电光调制器，该硅基电光调制器包括所述的电极传输线。
11.进一步的，所述电极传输线中的最顶层金属层作为该硅基电光调制器的电极pad层。
12.进一步的，所述电极传输线中的最底层金属层通过通孔与该硅基电光调制器的pn结连接。
13.进一步的，所述的一种硅基电光调制器，还包括：硅衬底及位于所述硅衬底上方的二氧化硅隔离层，所述pn结制备在所述二氧化硅隔离层上。
14.进一步的，所述的一种硅基电光调制器，还包括：二氧化硅覆盖层，所述二氧化硅覆盖层位于所述二氧化硅隔离层上方，所述电极传输线位于所述二氧化硅覆盖层内。
15.进一步的，所述的一种硅基电光调制器，还包括：光波导、和束器、分束器、终端负载。
16.本发明所带来的有益效果：
17.1.采用至少两层金属层形成电极传输线，相邻金属层通过通孔进行电学接触，在完全兼容现行cmos制作工艺的条件下，本发明的结构设计优化了电极传输线的电学带宽，进而提升调制器的电学带宽，从而提高了调制器的电光带宽，因此可适应更高调制速率的使用场景；
18.2.多层金属层的结构设计可增大电极传输线的截面面积，从而改善电极传输线的直流电流承受能力；
19.3.本发明形成的矩形框体状的电极结构可减弱趋肤效应对高频电学信号的影响，提高了电极传输线的电学带宽，进而提高了调制器的电光带宽。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
21.图1是导体上直流电流分布示意图；
22.图2是导体上低频电流分布示意图；
23.图3是导体上高频电流分布示意图；
24.图4是驱动芯片与调制器芯片的连接示意图；
25.图5是调制器的结构示意图；
26.图6是本发明两层金属电极组合形成电极传输线的调制器的调制区截面局部示意图；
27.图7是本发明两层金属电极组合形成电极传输线的调制器的非调制区截面局部示意图；
28.图8是本发明三层金属电极组合形成电极传输线的调制器的调制区截面局部示意
图；
29.图9是本发明三层金属电极组合形成电极传输线的调制器的非调制区截面局部示意图；
30.图10是本发明矩形框体状的电极结构的截面示意图；
31.图11是常规行波电极调制器的调制区截面局部示意图；
32.图12是常规行波电极调制器的非调制区截面局部示意图；
33.图13是单层金属电极与双层金属电极形成的共面波导传输线的带宽响应仿真对比结果曲线图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.如图5-9所示，为提高硅基电光调制器在和驱动芯片配合使用时的直流电流承受能力，改善调制器的电光带宽以适应更高调制速率的使用场景，本发明提供一种电极传输线，包括：至少两层金属层，且各层金属层共同构建了电极传输线。每层金属层由若干金属电极1组成，且相邻金属层中对应位置的金属电极的两侧通过通孔进行电学接触，形成矩形框体状的电极结构，如图10所示。其中，本文的对应位置是指相邻金属层中处于同一垂线上的金属电极。
36.各个金属层中金属电极的分布、形状及尺寸相一致，即在俯视图平面角度上看，各金属电极在位置上分布一致，只是在不同层而已，且由于形状及尺寸也相一致，因此在不同层俯看各金属电极是完全相同的，使得电流流过时可最大限度的利用矩形框体状的电极结构，以应对导体产生的趋肤效应。
37.由于目前硅光工艺平台通常用两层金属，下文中本发明以两层金属层的典型结构进行说明。
38.如图6-7所示，电极传输线包括两层金属层。本发明将两层金属层的上层金属层定义为第一金属层2，将下层金属层定义为第二金属层3，第一金属层2与第二金属层3共同构建电极传输线。
39.第一金属层2与第二金属层3中对应位置的金属电极的两侧通过第一通孔4进行电学接触，以形成矩形框体状的电极结构，其带来的好处有两点：一方面，与单层电极相比，导体的横截面面积增加，电极能承受的最大电流可有效增加，这点对于和集电极开路形式的驱动放大器配合时有明显好处，这是因为与集电极开路形式的驱动放大器配合时需要调制器电极传输线的信号线上传输较大的直流电流；另一方面，趋肤效应对电极传输线的影响减弱，其直流传输时对应的电极是矩形框体式的，高频信号的传输对应的电极也是矩形框体式的，因此附加的高频损耗减弱，则电学带宽有效增加，进而对提高调制器的电光带宽有一定的积极作用。
40.作为对比，如图11-12所示，图中展示了常规行波电极调制器在调制区及非调制区的截面局部示意图，其采用单层金属电极作为高频传输线。单层电极传输线有一个两难的问题：如果金属层的电极厚度选择很薄，比如在1μm以下，则电极传输线的直流电阻较大，将
增大电极传输线的电信号损耗，同时电极信号的直流电流承受能力较弱；如果金属层的电极厚度选择较厚，比如在3μm以上，虽然直流电阻和低频电阻明显变小，但受趋肤效应的影响，高频微波传输时其有效电阻则明显增加，因此电极传输线的电学带宽依然受到影响。除此之外，根据现行的cmos工艺的实际情况，制作单层较厚的金属层也存在较大难度。改变单层电极的金属厚度在一定程度上可平衡上述问题，但是效果相对于本发明所提供的组合电极相比依然略差。
41.虽然现行制作硅光调制器的方案已经是采用两层电极甚至多层电极，但其实现调制器的高频电极传输线往往只是其中的一层，其他层只是用于形成良好的电极接触。要么是将低层金属层102作为高频传输线，从而降低高频信号的传输损耗和实现阻抗匹配，高层金属层101作为电极pad层，用于金丝打线或者倒装焊工艺从而与外部进行电学连接；要么是将高层金属层101作为高频传输线，从而降低高频信号的传输损耗和实现阻抗匹配，低层金属层102作为和调制器pn结实现电学连接的结构部分与低层通孔103一起实现电极传输线和pn结的电学连接。
42.对于需要电极传输线上承载直流大电流的情况，对于现有硅光调制器来说，其电流绝大部分在高层金属层101或低层金属层102上流过，与本发明两层金属电极组合使用的情况相比，其电阻更大，电流承受能力也相对较弱。而且，只用一层金属作为电极传输线，直流和低频电学信号可认为是均匀分布在此金属的横截面上，而高频信号受限于趋肤效应则其等效的横截面减小了，等效的电阻增加了，因此其高频信号传输的损耗增加。
43.本发明将第一金属层2和第二金属层3采用同样的尺寸设计，通过第一通孔4将这两层内金属电极连接起来，如此，则第一金属层2和第二金属层3均可以有效的承担电流。现有的技术只是一层金属作为真正的调制器高频电极传输线，另一层金属的作用只是用于电学接触用，并未真正采用两层金属设计成矩形框体的形式来作为电极传输线。
44.如图8-9所示，在某些情况下，如果对调制器的电极传输线的直流电流承载能力要求很高，而考虑到调制器的特征阻抗设计无法通过增加电极宽度得到有效缓解时，也可考虑使用2层以上的多层金属电极进行组合形成电极传输线。
45.如图5-10所示，本发明还提供一种硅基电光调制器，包括：pn结5、硅衬底7、二氧化硅隔离层8、二氧化硅覆盖层9、光波导10、和束器11、分束器12、终端负载13。
46.输入光通过分束器12后等分为两部分分别进入mzi结构的上臂和下臂，在mzi上臂和mzi下臂中设计有调制区域14及非调制区域15，则电信号的电压变化带来调制区域14中光波导的有效折射率的变化，导致两束光在合束时的相位发生了变化，从而实现输出光的光强度发生了相应的变化。
47.本发明的硅基电光调制器包括上述的电极传输线。电极传输线中的最顶层金属层作为该硅基电光调制器的电极pad层。电极传输线中的最底层金属层通过第二通孔6与该硅基电光调制器的pn结5连接。
48.二氧化硅隔离层8位于硅衬底7上方，pn结5制备在二氧化硅隔离层8上。二氧化硅覆盖层9位于二氧化硅隔离层8上方，电极传输线位于二氧化硅覆盖层9内。
49.本发明所提出的硅基电光调制器的结构设计完全兼容现有常用方案的工艺体系，且对电极传输线进行优化设计，利于减小电极传输线的高频微波损耗，从而提升调制器的电光带宽，并且增强电极传输线的大电流承受能力。
50.如图13所示，仿真对比单层金属电极和双层金属电极形成的共面波导传输线的带宽响应结果，从图中可以看出，采用双层金属电极组合成电极传输线后，传输线的电学带宽特性得到明显改善。
51.仿真模型中电极材料使用铝材料，模型长度1mm。图13中，h＝0.5um、h＝1.0um、h＝2.0um分别是指单层金属电极的厚度为0.5um、1.0um、2.0um时进行仿真的结果曲线。h＝0.5um 0.5um是指双层金属电极中其中一层金属电极的厚度为0.5um，另一层金属电极的厚度为0.5um时进行仿真的结果曲线。h＝1.0um 0.5um是指双层金属电极中其中一层金属电极的厚度为1.0um，另一层金属电极的厚度为0.5um时进行仿真的结果曲线。h＝1.5um 0.5um是指双层金属电极中其中一层金属电极的厚度为1.5um，另一层金属电极的厚度为0.5um时进行仿真的结果曲线。
52.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。